Control of transients in water distribution networks by H¥ Control

In this work, a controller for regulating the transients in water distribution networks is established. The control technique is the H¥ Control. The developed controller is applied to a water distribution network and the results of this application demonstrate that the technique allowed the establishment of a robust controller, capable of attenuating the disturbances in a suitable way, being effective in controlling the oscillations of the state variables in question.

Dynamiikan simulointi poralaitteiden tuotekehityksessä

Diplomityö käsittelee kallioporalaitteen eliniän kuormitusten arviointiin tarkoitetun simulointimallin rakentamista. Työssä luotiin modulaarinen malli, jolla voidaan simuloida dynaamisesti esteen yliajo. Esteen yliajo on perinteinen tehdastesti uusien laitteiden prototyypeille. Sillä pyritään saamaan selville laitteen maksimikuormitustapaukset. Pintaporalaitteen simulointimalli tehtiin ADAMS-ohjelmistolla laitteen suunnittelussa tehtyjä CAD-malleja hyödyntäen. ADAMS-ohjelmistolla mallinnettiin laitteen yksinkertaistettu mekaniikka siten, että laite oli jaettu viiteen eri moduuliin. Runko ja telasto olivat omana osionaan. Puomi ja syöttölaite oli oma kokoonpanonsa ja ohjaamo sekä katteet olivat kaksi erillistä modulia. Viides moduuli oli hydrauliikka, joka simuloitiin rinnakkaissimulointina EASY5-ohjelmistolla. Simuloituja esteen yliajon tuloksia verrattiin prototyyppilaitteen tehdastestien mitattuihin kuormituksiin. Vertailu tehtiin mallinnettujen neljän sylinterin paineita tarkastelemalla. Tuloksia tarkastellessa havaittiin, että simulaatiomalli antaa varsinkin staattisissa tarkasteluissa oikean suuntaisia tuloksia. Dynaamisissa tilanteissa koneen maksimikuormituksilla mallinnustarkkuus ei tämän työn laajuudessa ole riittävä varsinaiseen eliniän analysointiin. Sen sijaan mallinnustekniikka todettiin periaatteessa toimivaksi ja jatkokehityskelpoiseksi.

Application and development of numerical methods for the modelling of innovative gas cooled fission reactors

Innovative gas cooled reactors, such as the pebble bed reactor (PBR) and the gas cooled fast reactor (GFR) offer higher efficiency and new application areas for nuclear energy. Numerical methods were applied and developed to analyse the specific features of these reactor types with fully three dimensional calculation models. In the first part of this thesis, discrete element method (DEM) was used for a physically realistic modelling of the packing of fuel pebbles in PBR geometries and methods were developed for utilising the DEM results in subsequent reactor physics and thermal-hydraulics calculations. In the second part, the flow and heat transfer for a single gas cooled fuel rod of a GFR were investigated with computational fluid dynamics (CFD) methods. An in-house DEM implementation was validated and used for packing simulations, in which the effect of several parameters on the resulting average packing density was investigated. The restitution coefficient was found out to have the most significant effect. The results can be utilised in further work to obtain a pebble bed with a specific packing density. The packing structures of selected pebble beds were also analysed in detail and local variations in the packing density were observed, which should be taken into account especially in the reactor core thermal-hydraulic analyses. Two open source DEM codes were used to produce stochastic pebble bed configurations to add realism and improve the accuracy of criticality calculations performed with the Monte Carlo reactor physics code Serpent. Russian ASTRA criticality experiments were calculated. Pebble beds corresponding to the experimental specifications within measurement uncertainties were produced in DEM simulations and successfully exported into the subsequent reactor physics analysis. With the developed approach, two typical issues in Monte Carlo reactor physics calculations of pebble bed geometries were avoided. A novel method was developed and implemented as a MATLAB code to calculate porosities in the cells of a CFD calculation mesh constructed over a pebble bed obtained from DEM simulations. The code was further developed to distribute power and temperature data accurately between discrete based reactor physics and continuum based thermal-hydraulics models to enable coupled reactor core calculations. The developed method was also found useful for analysing sphere packings in general. CFD calculations were performed to investigate the pressure losses and heat transfer in three dimensional air cooled smooth and rib roughened rod geometries, housed inside a hexagonal flow channel representing a sub-channel of a single fuel rod of a GFR. The CFD geometry represented the test section of the L-STAR experimental facility at Karlsruhe Institute of Technology and the calculation results were compared to the corresponding experimental results. Knowledge was gained of the adequacy of various turbulence models and of the modelling requirements and issues related to the specific application. The obtained pressure loss results were in a relatively good agreement with the experimental data. Heat transfer in the smooth rod geometry was somewhat under predicted, which can partly be explained by unaccounted heat losses and uncertainties. In the rib roughened geometry heat transfer was severely under predicted by the used realisable k − epsilon turbulence model. An additional calculation with a v2 − f turbulence model showed significant improvement in the heat transfer results, which is most likely due to the better performance of the model in separated flow problems. Further investigations are suggested before using CFD to make conclusions of the heat transfer performance of rib roughened GFR fuel rod geometries. It is suggested that the viewpoints of numerical modelling are included in the planning of experiments to ease the challenging model construction and simulations and to avoid introducing additional sources of uncertainties. To facilitate the use of advanced calculation approaches, multi-physical aspects in experiments should also be considered and documented in a reasonable detail.

Luonnonkiertovirtauksen kääntyminen pystyhöyrystimen lämmönvaihtoputkissa

Diplomityössä tutkitaan virtauksen kääntymistä Lappeenrannan teknillisen yliopiston PWR PACTEL –koelaitteiston pystyhöyrystimen lämmönvaihtoputkissa käyttäen APROS–prosessisimulointiohjelmaa. Työn teoriaosassa esitellään pystyhöyrystimillä varustettuja koelaitteistoja, erityisesti PWR PACTEL ja sen höyrystin. Lisäksi esitellään virtauksen kääntymisestä tehtyjä havaintoja ja käsitellään kääntymistä teoreettisesta näkökulmasta. Simulointiosan alussa esitellään työssä käytetty APROS –prosessisimulointiohjelma, sekä sen avulla höyrystimestä luodut mallit. Työssä on tutkittu virtauksen käännöstapahtumaa simuloimalla useita eri transienttitilanteita pienillä primäärimassavirroilla. Simulaatiotapauksissa havaittiin virtauksen kääntyvän höyrystimen eripituisissa lämmönvaihtoputkissa, tilanteesta riippuen pääosin lyhimmissä tai toisiksi lyhimmissä lämmönvaihtoputkissa. Transienttien eri vaiheiden, ts. primäärimassavirran muutos- ja tasaantumisvaiheiden pituuden havaittiin vaikuttavan siihen, minkä pituisissa putkissa kääntyminen tapahtuu ja missä järjestyksessä.

Integroidun sähköhydraulisen energiamuuntimen sovellusmahdollisuuksia

Energian kulutuksen pienentäminen ja energiatehokkuuden parantaminen ovat nykyaikana tärkeässä osassa laitteita ja järjestelmiä suunniteltaessa. LUT:ssa kehitetty sähköhydraulinen energiamuunnin pyrkii vastaamaan tähän tarpeeseen hydraulisten järjestelmien osalta. Se on alunperin suunniteltu hybridityökoneita silmällä pitäen, ja tässä työssä selvitetään työkoneiden ohella, millä muilla sovellusalueilla sitä voisi hyödyntää. Lisäksi tarkoituksena on selvittää hybridityökoneiden tämänhetkistä kehitysastetta.

Hardware design of a multiconverter for hybrid vehicle applications

Hybridiajoneuvosovellukset vaativat usein sekä korkea- että matalajännitejärjestelmän. Korkeajännitejärjestelmä sisältää yleensä energiavaraston, joka on joko superkondansaattori tai korkeajänniteakusto, dieselgeneraattorin tai range extenderin ja ajokäytön. Korkeajännitejärjestelmään liitetään usein myös erilaisia apukäyttöjä kuten kompressoreita ja hydraulipumppuja. Matalajännitejärjelmä koostuu yleensä ohjausyksiköistä, ajovaloista, yms. laitteista. Perinteisesti matalajännitejärjestelmää on syötetty dieselmoottorin laturista, mutta korkeajännitejärjestelmien myötä DC/DC-hakkurin käyttäminen korkea- ja matalajännitejärjestelmien välillä on herättänyt kiinnostusta, koska tällöin laturin voisi poistaa ja matalajänniteakustoa pienentää. Tässä työssä kuvatun monilähöisen tehonmuokkaimen invertterisilta soveltuu apukäyttöjen ajamiseen, ja erotettu DC/DC-hakkuri matalajännitejärjestelmän syöttämiseen. Tässä työssä käydään läpi edellä mainitun tehonmuokkaimen suunnittelu, keskittyen eritoten laitteen korkeajänniteosien mitoitukseen ja termiseen suunniteluun. DC/DC-hakkurin osalta perinteisiä piistä valmistettuja IGBT transistoreja vertaillaan piikarbidi MOSFET transistoreihin. Lämpömallilaskujen paikkaansapitävyyttä tutkitaan suorittamalla prototyyppilaitteelle hyötysuhdemittaus, jonka tuloksia verrataan laskettuihin tuloksiin. Lämpömallin parannusmahdollisuuksia käsitellään myös hyötysuhdemittauksen tulosten perusteella.

Numerical modelling of the impact of climate change on the morphology of Saint-Lawrence tributaries

Cette thèse examine les impacts sur la morphologie des tributaires du fleuve Saint-Laurent des changements dans leur débit et leur niveau de base engendrés par les changements climatiques prévus pour la période 2010–2099. Les tributaires sélectionnés (rivières Batiscan, Richelieu, Saint-Maurice, Saint-François et Yamachiche) ont été choisis en raison de leurs différences de taille, de débit et de contexte morphologique. Non seulement ces tributaires subissent-ils un régime hydrologique modifié en raison des changements climatiques, mais leur niveau de base (niveau d’eau du fleuve Saint-Laurent) sera aussi affecté. Le modèle morphodynamique en une dimension (1D) SEDROUT, à l’origine développé pour des rivières graveleuses en mode d’aggradation, a été adapté pour le contexte spécifique des tributaires des basses-terres du Saint-Laurent afin de simuler des rivières sablonneuses avec un débit quotidien variable et des fluctuations du niveau d’eau à l’aval. Un module pour simuler le partage des sédiments autour d’îles a aussi été ajouté au modèle. Le modèle ainsi amélioré (SEDROUT4-M), qui a été testé à l’aide de simulations à petite échelle et avec les conditions actuelles d’écoulement et de transport de sédiments dans quatre tributaires du fleuve Saint-Laurent, peut maintenant simuler une gamme de problèmes morphodynamiques de rivières. Les changements d’élévation du lit et d’apport en sédiments au fleuve Saint-Laurent pour la période 2010–2099 ont été simulés avec SEDROUT4-M pour les rivières Batiscan, Richelieu et Saint-François pour toutes les combinaisons de sept régimes hydrologiques (conditions actuelles et celles prédites par trois modèles de climat globaux (MCG) et deux scénarios de gaz à effet de serre) et de trois scénarios de changements du niveau de base du fleuve Saint-Laurent (aucun changement, baisse graduelle, baisse abrupte). Les impacts sur l’apport de sédiments et l’élévation du lit diffèrent entre les MCG et semblent reliés au statut des cours d’eau (selon qu’ils soient en état d’aggradation, de dégradation ou d’équilibre), ce qui illustre l’importance d’examiner plusieurs rivières avec différents modèles climatiques afin d’établir des tendances dans les effets des changements climatiques. Malgré le fait que le débit journalier moyen et le débit annuel moyen demeurent près de leur valeur actuelle dans les trois scénarios de MCG, des changements importants dans les taux de transport de sédiments simulés pour chaque tributaire sont observés. Ceci est dû à l’impact important de fortes crues plus fréquentes dans un climat futur de même qu’à l’arrivée plus hâtive de la crue printanière, ce qui résulte en une variabilité accrue dans les taux de transport en charge de fond. Certaines complications avec l’approche de modélisation en 1D pour représenter la géométrie complexe des rivières Saint-Maurice et Saint-François suggèrent qu’une approche bi-dimensionnelle (2D) devrait être sérieusement considérée afin de simuler de façon plus exacte la répartition des débits aux bifurcations autour des îles. La rivière Saint-François est utilisée comme étude de cas pour le modèle 2D H2D2, qui performe bien d’un point de vue hydraulique, mais qui requiert des ajustements pour être en mesure de pleinement simuler les ajustements morphologiques des cours d’eau.

Caractéristiques des structures turbulentes de l'écoulement et du transport en charge de fond en rivière à lit de graviers lors de la montée d'une crue

En rivière à lit de graviers, le transport des sédiments en charge de fond est un processus intermittent qui dépend de plusieurs variables du système fluvial dont la prédiction est encore aujourd’hui inexacte. Les modèles disponibles pour prédire le transport par charriage utilisent des variables d’écoulement moyen et la turbulence n’est généralement pas considérée malgré que les tourbillons contenus dans les écoulements possèdent une quantité d’énergie importante. L’utilisation de nouvelles approches pour étudier la problématique du transport par charriage pourrait nous permettre d’améliorer notre connaissance de ce processus déterminant en rivière alluviale. Dans ce mémoire, nous documentons ces composantes de la dynamique fluviale dans un cours d’eau graveleux en période de crue. Les objectifs du projet de recherche sont : 1) d’examiner l’effet du débit sur les variables turbulentes et les caractéristiques des structures turbulentes cohérentes, 2) d’investiguer l’effet du débit sur les caractéristiques des événements de transport de sédiments individuels détectés à l’aide d’un nouvel algorithme développé et testé et 3) de relier les caractéristiques de l’écoulement turbulent aux événements de transport de sédiments individuels. Les données de turbulence montrent qu’à haut niveau d’eau, l’écoulement décéléré est peu cohérent et a une turbulence plus isotrope où les structures turbulentes cohérentes sont de courte durée. Ces observations se distinguent de celles faites à faible niveau d’eau, en écoulement accéléré, où la plus grande cohérence de l’écoulement correspond à ce qui est généralement observé dans les écoulements uniformes en rivières graveleuses. Les distributions de fréquence des variables associées aux événements de transport individuel (intensité de transport moyenne, durée d’événement et intervalle entre événements successifs) ont des formes différentes pour chaque intensité de crue. À haut niveau d’eau, le transport est moins intermittent qu’à faible débit où les événements rares caractérisent davantage les distributions. L’accélération de l’écoulement à petite échelle de temps joue un rôle positif sur le transport, mais surtout lorsque la magnitude de la crue mobilisatrice est en dessous du niveau plein bord. Les résultats de l’étude montrent que les caractéristiques de la turbulence ainsi que les liens complexes entre l’écoulement et le transport par charriage sont fonction du débit.

Strait dynamics of tropical tidal inlets

The dynamics and associated stability analysis of tidal inlets situated on the southwest coast of India, namely Andhakaranazhi (90 45 J OO JJN and 760 17 J 29 JJ E) and the other at Cochin harbour inlet (90 58 1 04 J1N and 760 14 1 50 1J E) have beenconducted. A detailed study on the inlet regime of Cochin barmouth (permanent in nature) was attempted so as to elucidate information on: (a) channel characteristics (b) tidal hydraulics and (c) stability of the inlet. In this connection, a naturally occurring seasonal sandbar formation at Andhakaranazhi, near Sherthallay, about 20 km south of Cochin inlet, was also chosen as a site ofstudy brought out conclusively the dynamical study. The aspects of ( 1) tidal influx/out flux (2) channel morphology (3) sedimentation regime and (4) stability and factors related to stability of these locations. The above aspects are supported by suitable mathematical formulations to describe the associated coastal processes, wherever applicable

Las Obras hidráulicas en los sistemas fluviales de la Costa Brava: preferencias locales y limitaciones de un modelo convencional de adaptación al riesgo de inundación

Este artículo tiene por finalidad analizar las medidas de adaptación al riesgo de inundación que se han realizado en el ámbito de la Costa Brava, con especial incidencia en el papel que han tenido las obras de infraestructura hidráulica en la prevención de avenidas. Se intenta comprobar hasta que punto la percepción local dominante sobre las obras hidráulicas como una de las formas más eficientes pera la prevención de inundaciones se contradice con las nuevas tendencias tanto en relación a los costes ecológicos de la construcción de estos dispositivos hidráulicos como al planeamiento urbanístico y fluvial, en general

Calibration Strategies Designed For Long Term Sediment Transport Modelling

The presented work deals with the calibration of a 2D numerical model for the simulation of long term bed load transport. A settled basin along an alpine stream was used as a case study. The focus is to parameterise the used multi fractional transport model such that a dynamically balanced behavior regarding erosion and deposition is reached. The used 2D hydrodynamic model utilizes a multi-fraction multi-layer approach to simulate morphological changes and bed load transport. The mass balancing is performed between three layers: a top mixing layer, an intermediate subsurface layer and a bottom layer. Using this approach bears computational limitations in calibration. Due to the high computational demands, the type of calibration strategy is not only crucial for the result, but as well for the time required for calibration. Brute force methods such as Monte Carlo type methods may require a too large number of model runs. All here tested calibration strategies used multiple model runs utilising the parameterization and/or results from previous run. One concept was to reset to initial bed elevations after each run, allowing the resorting process to convert to stable conditions. As an alternative or in combination, the roughness was adapted, based on resulting nodal grading curves, from the previous run. Since the adaptations are a spatial process, the whole model domain is subdivided in homogeneous sections regarding hydraulics and morphological behaviour. For a faster optimization, the adaptation of the parameters is made section wise. Additionally, a systematic variation was done, considering results from previous runs and the interaction between sections. The used approach can be considered as similar to evolutionary type calibration approaches, but using analytical links instead of random parameter changes.

A Gradient-Type Method For Real-Time State Estimation Of Water Distribution Networks

Drinking water distribution networks risk exposure to malicious or accidental contamination. Several levels of responses are conceivable. One of them consists to install a sensor network to monitor the system on real time. Once a contamination has been detected, this is also important to take appropriate counter-measures. In the SMaRT-OnlineWDN project, this relies on modeling to predict both hydraulics and water quality. An online model use makes identification of the contaminant source and simulation of the contaminated area possible. The objective of this paper is to present SMaRT-OnlineWDN experience and research results for hydraulic state estimation with sampling frequency of few minutes. A least squares problem with bound constraints is formulated to adjust demand class coefficient to best fit the observed values at a given time. The criterion is a Huber function to limit the influence of outliers. A Tikhonov regularization is introduced for consideration of prior information on the parameter vector. Then the Levenberg-Marquardt algorithm is applied that use derivative information for limiting the number of iterations. Confidence intervals for the state prediction are also given. The results are presented and discussed on real networks in France and Germany.

Estudo geotécnico sobre a erodibilidade de solos residuais não saturados

A erodibilidade, particularizada como a susceptibilidade a erosão hídrica por fluxo superficial concentrado, é uma das propriedades de comportamento dos solos de maior complexidade pelo grande número de variáveis intervenientes. Estudada por diferentes áreas do conhecimento (Agronomia, Hidráulica, Geologia de Engenharia e Engenharia Geotécnica), tem no meio geotécnico a maior lacuna na sua quantificação e entendimento dos mecanismos envolvidos. O presente trabalho apresenta um estudo sobre a erodibilidade de solos residuais tropicais e subtropicais não saturados a partir de quatro perfis representativos dos processos erosivos e solos envolvidos na Região Metropolitana de Porto Alegre. Os solos dos principais horizontes de cada um destes perfis foram caracterizados física, química e mineralogicamente. As propriedades de resistência ao cisalhamento e colapsibilidade foram avaliadas por ensaios de cisalhamento direto convencionais e com controle de sucção e por ensaios de colapsibilidade em oedômetros, respectivamente. A erodibilidade foi avaliada em laboratório, diretamente por meio de ensaios de Inderbitzen e indiretamente por diferentes critérios e parâmetros baseados em outras características físicas e propriedades dos solos. A análise conjunta do comportamento dos solos em campo frente a erosão, da avaliação direta e indireta da erodibilidade e das propriedades geomecânicas investigadas conduziram à formulação de uma proposta de abordagem geotécnica para a erodibilidade dos solos residuais tropicais e subtropicais não saturados. Nesta proposta destaca–se a avaliação direta da erodibilidade por ensaios de Inderbitzen e a indicação de solos potencialmente erodíveis baseada no teor de finos, na plasticidade, no parâmetro K da USLE, na Razão de Dispersão de Middleton, na classificação e critério de erodibilidade MCT e na variação da coesão com a saturação pelo parâmetro variação de coesão (Δc) proposto. A proposta de abordagem geotécnica para a previsão da erodibilidade dos solos visa dotar o engenheiro geotécnico de uma ferramenta destinada à avaliação do potencial erosivo dos terrenos antes de uma iniciativa de ocupação urbana ou implantação de qualquer outra obra de engenharia. Esta avaliação é o passo inicial no direcionamento de medidas preventivas e que visem minimizar o impacto da obra ao meio físico natural, no que se refere a erosão hídrica por fluxo superficial concentrado.